基于網絡接口技術風光互補控制器系統的設計

張為民

(合肥為民電源有限公司,安徽 合肥 230088)

可再生能源的綜合利用對社會經濟的可持續發展和節能環保有著重要的意義。風能和太陽能作為兩種應用廣泛的可再生清潔能源，在資源條件和技術應用上具有很強的互補性。在一些區域或地區，獨立供電系統成為最需要的電源，風光互補控制器作為離網發電系統的核心部件，應用越來越廣泛。控制器的性能決定了離網發電系統的穩定性和性能狀態，如何管理和監控控制器的功能、采集控制器的相關數據、分析控制器的相關性能，變得尤為重要。隨著網絡接入設備的普及，利用有線網絡可以實現集中監控和遠程監控風光互補控制器[1-4]。本文設計了一種基于網絡接口技術的風光互補控制器系統，該系統集通信傳輸、數據采集、存儲、讀取、控制功能于一體，在實際使用過程中，性能穩定可靠。

本文主要介紹了網絡接口風光互補控制系統的硬件電路設計和軟件設計。其中，軟件設計分為嵌入式軟件設計和上位機監控軟件設計等。

1 硬件電路設計

風光互補發電系統是利用太陽能電池方陣、風力發電機組將發出的電能存儲到蓄電池組中，當用戶需要用電時，蓄電池直接給直流負載供電，或通過逆變器將蓄電池組中儲存的直流電轉變為交流電，再通過輸電線路送到用戶負載處。

本文設計了一種基于網絡接口技術的風光互補控制器系統，該系統的外圍硬件電路主要包括風力發電機組、太陽能光伏電池組、帶網絡接口的風光互補控制器、蓄電池組、逆變器、直流負載和交流負載，系統框圖如圖1所示。

本文著重討論網絡接口的風光互補控制器系統的設計，該設計主要包括兩個部分：(1)風光互補控制器的設計，主要包括Microchip公司的PIC16F887單片機以及外圍電路(A/D轉換電路、整流電路、開關控制電路、市電切換電路等)[4];(2)網絡接口協議轉換器的設計，主要包括：以太網接口芯片DM9000A、PIC系列PIC1867J60MCU、網口變壓器件H1102,其他的接頭有RJ45等。網絡接口風光互補控制器系統硬件結構如圖2所示。

風光互補控制器通過單片機PIC16F887采集相關數據，通過串口RS-232進入網絡接口協議轉換器，通過RJ45接入到Internet實現局域網和廣域網互聯。其網絡接口協議轉換模塊的硬件原理圖如圖3所示。

該原理圖中，LEDA接單片機PIC1867J60的24引腳，LEDB接單片機的 23引腳，TPOUT+接單片機的 51引腳，TPOUT-接單片機的 50引腳，TPIN+接單片機的47引腳，TPIN-接單片機的46引腳。

2 軟件設計

2.1 嵌入式軟件設計

PIC1867J60單片機系統內嵌TCP/IP協議棧，使用單芯片完成協議轉換功能，大大降低了系統成本和復雜程度。網絡接口芯 片 集 成 TCP/IP、UDP、ICMP、ARP、DHCP等眾多復雜網絡協議和SOCKET插口標準,能夠適應現有辦公網絡包括無線和有線網絡通信標準,可通過路由和防火墻訪問,支持直連與交叉;提供 TCP Server、TCP Client、TCP Auto、UDP Master、UDP Slave、UDP廣播、UDP組播多種工作模式，體積較小，易于嵌入集成，支持串口及網絡方式配置，采用TCP連接實時檢測技術及時恢復被中斷的TCP連接，數據包全透明1：1真實轉換，復合式看門狗技術，永不死機，適應低溫和高溫工作環境，為控制器的TTL串口輕松實現網絡功能。系統運行后，單片機運行Micorchip的TCP/IP協議棧，根據配置參數對從以太網通信口接收到的數據或從串行通信口接收到的數據進行處理。當通信串行口有數據接收時，單片機接收數據并將其轉換為以太網的數據格式并從以太網送出；當以太網有數據接收時，單片機接收數據并提取其數據包中的有效數據從串口送出。

首先初始化網絡接口協議轉換模塊，初始化部分主要完成的操作有：軟件復位、設定工作模式、設定臨時使用的以太網物理地址、設定接收幀的類型、確定數據的傳送方向、中斷允許、使能接收中斷、接收發送使能等。

網絡接口協議轉換模塊軟件設計的總體流程圖如圖4所示。

2.2 上位機監控軟件設計

PC機監控軟件通過定時器輪訓的方式定時地向各個控制器單片機發送數據，通過TCP/IP協議、Winsock套接字，采用三次握手原理實現帶網絡接口的控制器的有線傳輸。為了實現風光互補控制器的性能要求，同時考慮到軟件的安全性、穩定性和方便性，本監控軟件采用VB6.0開發，后臺數據庫采用MySQL。從設計的角度看，本監控軟件具有的功能模塊：(1)用戶角色權限分配功能，可以修改控制器的相關參數，只有管理員用戶才可以。(2)數據顯示功能，該功能可以通過多種方式對控制器的相關數據進行顯示、分析和統計。可以通過曲線圖、柱狀圖、關系表圖、實物模擬圖、Radar圖來顯示控制器的實時和統計分析數據，通過動態曲線來動態顯示用電量和發電量累計數據。(3)報警功能，通過控制器返回的數據進行分析，判斷其是否屬于控制器的警告信息，同時對軟件的使用也設計了相關報警信息。報警功能包括系統報警、通信報警、控制器的狀態報警等，通過報警信息來反映控制器的相關狀態信息和性能指標，如果發現故障，可以通過遠程網絡，利用PC機給單片機下發指令來修正控制器的相關參數，進而解除報警信息。(4)參數設置功能,提供顯示和設計控制器的相關參數設置界面，通過該界面可以設置控制器的相關參數。(5)數據庫功能設計,由于該監控軟件要對控制器的實時數據進行分析、統計，并且大量的數據要存儲到數據庫中，因此要考慮到數據庫的設計。數據庫的設計主要包括索引設計、存儲設計以及提高數據庫的查詢效率等。本監控軟件的模塊之間的關系如圖5所示。

圖4 網絡接口協議轉換模塊軟件設計流程圖

網絡接口風光互補控制器與相應的蓄電池、風機、太陽能電池板連接后，再通過RJ45網線連接到監控計算機上，上位機監控軟件的監控主界面如圖6所示。

本文設計了一種基于網絡接口技術的風光互補控制器系統。該系統包括風光互補控制器、網絡接口協議轉換模塊、嵌入式軟件設計和上位機監控軟件設計；該系統集通信傳輸、數據采集、存儲、讀取、控制功能于一體，通過實際使用證明，系統傳輸速度快，性能穩定可靠。

[1]杜榮華,張婧,王麗宏,等.風光互補發電系統簡介[J].節能,2007，26(3)：36-38.

[2]都志杰.可再生能源離網獨立發電技術與應用[M].北京：化學工業出版社,2009.

[3]張為民,李曉武,雷霆.太陽電池-鉛酸蓄電池充電控制器的研究[J].電源技術,2004,28(1)：43-46.

[4]李佳旭.基于ARM7的嵌入式uC/TCP-IP協議棧的研究與實現[D].西安：西安電子科技大學,2010.